DE102016102388A1 - proportional valve - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil (1) mit einem durch ein Steuersignal ansteuerbaren Vorsteuerventil (2) und einem mittels des Vorsteuerventils (2) betätigbaren Booster-Ventil (3), wobei das Proportionalventil (1) einen Druckluftanschluss (6) zum Anschluss einer Druckluftversorgung, einen Arbeitsanschluss (5) und einen Entlüftungsanschluss (4) aufweist. Das Booster-Ventil (3) weist drei einander nachgeschaltete und jeweils in einer axialen Richtung gegen eine Federkraft bewegliche Ventilelemente (8, 9, 10) auf, nämlich ein erstes durch das Vorsteuerventil (2) betätigtes Ventilelement (8), ein zweites Ventilelement (9), welches durch das erste Ventilelement (2) betätigt wird und ein drittes Ventilelement (10), welches durch das zweite Ventilelement (9) betätigt wird. Innerhalb des Booster-Ventils (3) sind wenigstens zwei mit jeweils mindestens einem der Ventilelemente (8, 9, 10) zusammenwirkende Dichtsitze (26, 27) derart ausgebildet und angeordnet, dass bei Variation des das Vorsteuerventil (2) ansteuernden Steuersignals und der hierdurch kaskadenartig bewirkten Verstellung der axialen Stellungen des ersten, zweiten und dritten Ventilelements (8, 9, 10) verschiedene Schaltzustände zum Entlüften und Belüften des Arbeitsanschlusses (5) und zum Halten eines am Arbeitsanschluss (5) anliegenden Drucks einstellbar sind, wobei ferner ein die axiale Stellung des ersten Ventilelements (8) erfassender Positionssensor (31) vorgesehen ist und eine Steuereinheit (36) des Proportionalventils (1) derart eingerichtet ist, dass zur Berechnung des zur Erzielung eines gewünschten Schaltzustands des Booster-Ventils (2) benötigten Steuersignals für das Vorsteuerventil (2) das Messsignal des Positionssensors (31) ausgewertet wird.The present invention relates to a proportional valve (1) with a controllable by a control signal pilot valve (2) and an actuated by means of the pilot valve (2) booster valve (3), wherein the proportional valve (1) a compressed air connection (6) for connecting a compressed air supply , a working connection (5) and a ventilation connection (4). The booster valve (3) has three valve elements (8, 9, 10) which are connected downstream of one another and can be moved in each case in an axial direction, namely a first valve element (8) actuated by the pilot valve (2), a second valve element (8). 9) actuated by the first valve element (2) and a third valve element (10) actuated by the second valve element (9). Within the booster valve (3), at least two sealing seats (26, 27) cooperating with in each case at least one of the valve elements (8, 9, 10) are designed and arranged such that upon variation of the control signal controlling the pilot valve (2) and thereby cascade-like adjustment of the axial positions of the first, second and third valve element (8, 9, 10) different switching states for venting and venting the working port (5) and for holding a pressure applied to the working port (5) are adjustable, further one axial Position of the first valve element (8) detecting position sensor (31) is provided and a control unit (36) of the proportional valve (1) is arranged such that for calculating the required to achieve a desired switching state of the booster valve (2) control signal for the pilot valve (2) the measurement signal of the position sensor (31) is evaluated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil mit einem durch ein Steuersignal ansteuerbaren Vorsteuerventil und einem mittels des Vorsteuerventils betätigbaren Booster-Ventil, wobei das Proportionalventil einen Druckluftanschluss zum Anschluss einer Druckluftversorgung, einen Arbeitsanschluss und einen Entlüftungsanschluss aufweist.The present invention relates to a proportional valve with a controllable by a control signal pilot valve and an actuatable by means of the pilot valve booster valve, wherein the proportional valve has a compressed air connection for connecting a compressed air supply, a working port and a vent port.
Derartige Proportionalventile, die insbesondere zum Betätigen einer pneumatischen Armatur, eines pneumatischen Antriebs oder sonstiger pneumatischer Stellglieder Verwendung finden, sind in vielfältiger Weise aus dem Stand der Technik bekannt.Such proportional valves, which are used in particular for actuating a pneumatic fitting, a pneumatic drive or other pneumatic actuators are known in many ways from the prior art.
Als proportionales Ventil muss es dazu geeignet sein, an dem zum Anschluss der pneumatischen Armatur vorgesehenen Arbeitsanschluss einen möglichst präzise regelbaren (Luft-)Druck zur Verfügung zu stellen. Hierzu werden durch geeignete Betätigung des Ventils mittels des Vorsteuerventils typischerweise verschiedene Ventilstellungen angefahren, mit denen der Arbeitsanschluss wahlweise mit der Druckluftversorgung oder der Entlüftung fluidleitend gekoppelt oder – zum Halten eines am Arbeitsanschluss vorherrschenden Drucks – von beiden entkoppelt wird. Als proportionales Ventil sollen dabei auch Zwischenstellungen zwischen einem vollständigen Belüften und einem vollständigen Entlüften der am Arbeitsanschluss angeschlossenen Armatur möglich sein.As a proportional valve, it must be capable of providing as precise a control (air) pressure as possible at the working connection provided for the connection of the pneumatic fitting. For this purpose, by appropriate actuation of the valve by means of the pilot valve typically different valve positions are approached, with which the working port optionally fluid-coupled with the compressed air supply or the vent or - for holding a prevailing at the working pressure - is decoupled from both. In this case, intermediate positions between a complete venting and a complete venting of the valve connected to the working connection should also be possible as a proportional valve.
Proportionale Ventile der vorstehend genannten Art sind relativ aufwendig in ihrer Bauart und ihrem Betrieb.Proportional valves of the aforementioned type are relatively expensive in their design and operation.
Im Stand der Technik wird dabei häufig auf so genannte Schieberventile zurückgegriffen, bei denen wenigstens ein linear verschiebbares Ventilelement je nach seiner Stellung eine seitlich des Ventilelements angeordnete und den Luftstrom beeinflussende Öffnung entweder (vollständig oder teilweise) freigibt oder verschließt. Im Gegensatz zu Sitzventilen ist hierbei jedoch mangels eines den Fluidfluss wirksam sperrenden Dichtsitzes stets mit einer für präzise Anwendungsfälle nachteiligen Leckage zu rechnen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglichst gering gehalten bzw. ganz vermieden werden sollte.In the prior art, so-called slide valves are frequently used, in which at least one linearly displaceable valve element either opens (completely or partially) or closes either side of the valve element and influences the air flow, depending on its position. In contrast to poppet valves, however, in the absence of a fluid seal effectively blocking the sealing seat, a leakage which is disadvantageous for precise applications must always be expected, which should advantageously be kept as low as possible within the scope of the present invention or avoided altogether.
Aus der
In Zusammenhang mit der regelungstechnischen Ansteuerung von mit Sitzventilen ausgestalteten Proportionalventilen ist zu berücksichtigen, dass sich dabei – abhängig von der konkreten Bauart des Ventils – vergleichsweise komplexe Kennlinien ergeben können. Dies gilt insbesondere dann, wenn der zum Betätigen des Booster-Ventils benötigte Steuerdruck abhängig vom momentanen Arbeitsdruck am Arbeitsausgang des Ventils ist. Ferner kann bei Verwendung eines piezoelektrischen Vorsteuerventils ein hysteresebehafteter Zusammenhang zwischen dem Steuersignal und dem durch das Vorsteuerventil erzeugten Vorsteuerdruck entstehen, der auf die Kennlinie des Gesamtventils durchschlägt.In connection with the control engineering control of proportional valves designed with seat valves, it must be taken into account that comparatively complex characteristics may result depending on the specific design of the valve. This is especially true when the control pressure required to actuate the booster valve is dependent on the current working pressure at the working outlet of the valve. Furthermore, when using a piezoelectric pilot valve, a hysteresis-related relationship between the control signal and the pilot pressure generated by the pilot valve arise, which strikes the characteristic of the overall valve.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes proportionales Ventil der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches insbesondere einen möglichst geringen (seitlichen) Bauraum benötigt und dabei gleichzeitig auf besonders einfache Weise zuverlässig und präzise betreibbar ist.Against this background, it is the object of the present invention to provide an improved proportional valve of the type mentioned, which in particular requires the smallest possible (lateral) space and at the same time in a particularly simple manner reliable and precise operation.
Diese Aufgabe wird durch ein Proportionalventil nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen eines solchen Ventils ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a proportional valve according to
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zeichnet sich neben den eingangs genannten Merkmalen dadurch aus, dass das Booster-Ventil drei einander nachgeschaltete und jeweils in einer axialen Richtung gegen eine Federkraft bewegliche Ventilelemente aufweist, nämlich
- – ein erstes durch das Vorsteuerventil betätigtes Ventilelement,
- – ein zweites Ventilelement, welches durch das erste Ventilelement betätigt wird und
- – ein drittes Ventilelement, welches durch das zweite Ventilelement betätigt wird,
- A first valve element actuated by the pilot valve,
- - A second valve element, which is actuated by the first valve element and
- A third valve element actuated by the second valve element,
Anders als im weiter oben bereits genannten Stand der Technik werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung somit nicht zwei Sitzventile als Bestandteil je eines Druck-Weg-Wandlers durch den Druck in einem gemeinsamen Steuerraum betätigt, sondern es findet vorliegend eine kaskadenartige Verstellung der den Fluidfluss innerhalb des Ventils beeinflussenden Ventilelemente statt, bei der das erste Ventilelement durch das Vorsteuerventil und die dem ersten Ventilelemente nachgeschalteten Ventilelemente sukzessive – insbesondere rein mechanisch – durch das jeweils vorherige Ventilelement betätigt werden. Es ist evident, dass aufgrund der axialen Betätigungsrichtung für alle drei Ventilelemente der für ein erfindungsgemäßes Ventil benötigte Bauraum – insbesondere in einer seitlich zur axialen Bewegungsrichtung der Ventilelemente liegenden Richtung – besonders kompakt sein kann.Unlike in the prior art already mentioned above, in the context of the present invention, therefore, not two poppet valves are actuated as part of each pressure-path converter by the pressure in a common control chamber, but instead there is a cascade-like adjustment of the fluid flow within the poppet Valve influencing valve elements instead, in which the first valve element by the pilot valve and the valve elements downstream of the first valve elements successively - in particular purely mechanically - are actuated by the respective previous valve element. It is evident that due to the axial actuation direction for all three valve elements, the installation space required for a valve according to the invention - especially in a direction laterally to the axial direction of movement of the valve elements - can be particularly compact.
Ferner kann aufgrund des Umstands, dass innerhalb des Ventils zwei mit jeweils mindestens einem Ventilelement zusammenwirkende Dichtsitze realisiert sind, ein besonders leckagearmer bzw. leckagefreier Betrieb gewährleistet werden, was insbesondere zum Halten eines am Arbeitsanschluss vorherrschenden Drucks von großem Vorteil ist und den pneumatischen Energieverbrauch des Ventils minimal hält. Trotz der hierdurch entstehenden Hysterese-Effekte, die weiter unten im Rahmen der Figurenbeschreibung noch näher erläutert werden, lässt sich ein erfindungsgemäßes Ventil unter Verwendung des erfindungsgemäß vorgesehenen Positionssensors mit besonders hoher Regelgüte in einfacher Weise betreiben.Furthermore, owing to the fact that two sealing seats cooperating with at least one valve element are realized within the valve, a particularly leak-free or leak-free operation can be ensured, which is particularly advantageous for maintaining a pressure prevailing at the working connection and the pneumatic energy consumption of the valve keeps minimal. Despite the resulting hysteresis effects, which are explained in more detail below in the description of the figures, a valve according to the invention can be operated in a simple manner using the inventively provided position sensor with a particularly high control quality.
Bei dem das Vorsteuerventil ansteuernden Steuersignal kann es sich beispielsweise um eine Steuerspannung handeln, wobei selbstverständlich auch die Verwendung andersartiger Steuersignale (z. B. in Form von PWM-Signalen) in Frage kommt.The control signal which activates the pilot control valve may, for example, be a control voltage, whereby it is of course also possible to use other types of control signals (eg in the form of PWM signals).
Zur Berechnung der zur Erzielung oder Beibehaltung eines gewünschten Schaltzustands des Booster-Ventils benötigten Variation des Steuersignals für das Vorsteuerventil wird erfindungsgemäß das Messsignal eines Positionssensors ausgewertet, der die axiale Stellung bzw. Position des ersten Ventilelements, also den Ventilhub, erfasst. Das Gesamtventil erweist sich dabei trotz eines (in regelungstechnischer Hinsicht) vergleichsweise komplexen Ventilaufbaus mit kaskadenartiger Verstellung von wenigstens drei federvorgespanten Ventilelementen als in besonders einfacher Weise ansteuerbar. Dies ist möglich, da bei dem erfindungsgemäßen Ventil der konkret eingenommene Schaltzustand des Gesamtventils letztlich (ausschließlich) durch die aktuelle Position des ersten Ventilelements bestimmt ist. Mit Ermittlung der Position des ersten Ventilelements liegt somit die wesentliche Information zum aktuellen Schaltzustand des Ventils vor.In order to calculate the variation of the control signal for the pilot valve required for achieving or maintaining a desired switching state of the booster valve, the measuring signal of a position sensor is evaluated according to the invention, which detects the axial position or position of the first valve element, ie the valve lift. The total valve proves to be despite a (in control engineering terms) comparatively complex valve structure with cascade-like adjustment of at least three spring-spun valve elements as controlled in a particularly simple manner. This is possible because in the valve according to the invention the actual assumed switching state of the overall valve is ultimately (exclusively) determined by the current position of the first valve element. By determining the position of the first valve element is thus the essential information on the current switching state of the valve.
Selbstverständlich greift die Steuereinheit des Proportionalventils im Rahmen der Berechnung des jeweils benötigten Steuersignals (d. h. z. B. der neu einzustellenden Steuerspannung für das Vorsteuerventil) in bevorzugter Weise auf geeignet in einer Speichereinheit hinterlegte Werte zurück, mit denen einer bestimmten axialen Stellung des ersten Ventilelements (bzw. dem hierzu korrespondierenden Messsignal des Positionssensors) der hierdurch jeweils realisierte Ventilzustand des Booster-Ventils zugeordnet ist.Of course, the control unit of the proportional valve in the context of the calculation of the respective required control signal (ie, for example, the newly adjusted control voltage for the pilot valve) in a preferred manner on suitably stored in a memory unit values with which a particular axial position of the first valve element (or. the measurement signal of the position sensor corresponding thereto) is associated with the respectively realized valve state of the booster valve.
Prinzipiell kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen rein mechanischen Positionssensor zurückgegriffen werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich jedoch, wenn der Positionssensor zur berührungslosen Messung der axialen Stellung des ersten Ventilelements eingerichtet ist. Dabei kann dann in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Positionssensor auf einem optischen, kapazitiven oder magnetischen Messprinzip basiert.In principle, in the context of the present invention, a purely mechanical position sensor can be used. However, it proves to be particularly advantageous if the position sensor is set up for non-contact measurement of the axial position of the first valve element. In this case, it may then be provided in a particularly expedient embodiment that the position sensor is based on an optical, capacitive or magnetic measuring principle.
Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei die Verwendung eines Magnetfeldwinkelsensors als Positionssensor, der vorteilhaft als AMR-, TMR- oder GMR-Sensor ausgestaltet sein kann.In this case, it proves to be particularly advantageous to use a magnetic field angle sensor as a position sensor, which can advantageously be designed as an AMR, TMR or GMR sensor.
AMR-Sensoren nutzen dabei den so genannten anisotropen magnetoresistiven (= AMR-)Effekt. TMR- und GMR-Sensoren nutzen den magnetischen Tunnelwiderstand (engl: magnetic tunnel resistance = TMR) bzw. den so genannten Riesenmagnetwiderstand (engl: giant magnetoresistance = GMR). Da auf diesen Prinzipien arbeitende Sensoren dem Grunde nach aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und kommerziell erhältlich sind, darf auf eine weitergehende Erläuterung der verschiedenen Messprinzipien verzichtet werden. Entscheidend ist im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass mit den vorstehend genannten Sensortypen mit hoher Energieeffizienz insbesondere hochpräzise Messergebnisse erzielbar sind.AMR sensors use the so-called anisotropic magnetoresistive (= AMR) effect. TMR and GMR sensors use the magnetic tunnel resistance (TMR) or the so-called giant magnetoresistance (GMR). Since sensors operating on these principles are fundamentally well known from the prior art and are commercially available, a further explanation of the various measuring principles may be dispensed with. It is crucial in the context of the present invention that particularly high-precision measurement results can be achieved with the above-mentioned sensor types with high energy efficiency.
Wie bereits weiter oben andiskutiert, kann in besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinheit des Proportionalventils derart eingerichtet ist, dass das zur Erzielung eines gewünschten Schaltzustands des Booster-Ventils benötigte Steuersignal für das Vorsteuerventil unter ausschließlichem Rückgriff auf das Messsignal des Positionssensors berechnet wird. Mit anderen Worten lässt sich ein erfindungsgemäßes Ventil also vorteilhaft so betreiben, dass zur hochpräzisen Ansteuerung des Ventils keine weiteren Messsignale als diejenigen des Positionssensors benötigt werden.As already discussed above, in a particularly preferred embodiment of the Be provided invention that the control unit of the proportional valve is arranged such that the time required to achieve a desired switching state of the booster valve control signal for the pilot valve is calculated exclusively by resorting to the measurement signal of the position sensor. In other words, a valve according to the invention can thus advantageously be operated in such a way that no further measuring signals than those of the position sensor are required for high-precision control of the valve.
Zur konkreten Ausgestaltung des Ventils kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das erste Ventilelement durch einen Membranteller mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden und eine axiale Bohrung aufweisenden Membrantellerschaft gebildet ist. Das zweite Ventilelement kann vorteilhaft durch einen federnd in einer zum Membranteller weisenden Richtung vorgespannten Ventilstößel gebildet sein, der auf einer zum Membrantellerschaft weisenden Stirnseite einen ersten Dichtsitz für das freie Ende des daran zur Anlage bringbaren Membrantellerschafts aufweist. Das dritte Ventilelement kann vorteilhaft durch ein Sockelelement gebildet sein, das in einer zum Ventilstößel weisenden Richtung federnd gegen einen zweiten Dichtsitz vorgespannt ist und durch axiale Verschiebung des am Sockelelement zur Anlage gebrachten Ventilstößels von dem zweiten Dichtsitz abhebbar ist. Hierdurch lässt sich ein besonders kompakter Ventilaufbau erreichen, wie dies weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung noch näher erläutert ist.For a concrete embodiment of the valve can advantageously be provided that the first valve element is formed by a diaphragm plate with a extending in the axial direction and an axial bore diaphragm plate shaft. The second valve element can advantageously be formed by a spring-loaded in a direction facing the diaphragm plate direction valve tappet having on a side facing the diaphragm plate shaft end face a first sealing seat for the free end of it can be brought to bear the diaphragm plate shaft. The third valve element can advantageously be formed by a base element, which is resiliently biased in a direction facing the valve stem direction against a second sealing seat and can be lifted by axial displacement of the stem element brought to bear on the valve stem of the second sealing seat. This makes it possible to achieve a particularly compact valve construction, as will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment of the present invention.
Da ein auf einem magnetischen Messprinzip basierender Positionssensor zur Messung der axialen Stellung des ersten Ventilelements selbstverständlich mit einem geeignet am ersten Ventilelement vorgesehenen Magnetelement zusammenwirken muss, kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Positionssensor mit einem in den Membranteller integrierten Magnetelement zusammenwirkt.Since a position sensor based on a magnetic measuring principle for measuring the axial position of the first valve element must naturally cooperate with a magnet element suitably provided on the first valve element, in a preferred embodiment of the invention it can be provided that the position sensor cooperates with a magnetic element integrated in the diaphragm plate.
In abermals bevorzugter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine den ersten und/oder zweiten Dichtsitz bildende und/oder hiermit zusammenwirkende Oberfläche zur Feinregulierung des Fluidstroms aus einem polymeren Material besteht, insbesondere mit vom jeweiligen Dichtungspartner ggf. abweichendem elastischem Verhalten. Hierdurch lassen sich besonders feine Übergänge in Bezug auf die für einen Proportionalbetrieb des Ventils benötigten Zwischenstellungen des erfindungsgemäßen Proportionalventils erzielen.In again preferred embodiment of the present invention can be provided that a first and / or second sealing seat forming and / or cooperating surface for fine adjustment of the fluid flow of a polymeric material, in particular with the respective sealing partner possibly deviating elastic behavior. As a result, particularly fine transitions with respect to the intermediate positions of the proportional valve according to the invention required for a proportional operation of the valve can be achieved.
In schaltungstechnischer Hinsicht kann schließlich bevorzugt vorgesehen sein, dass das Vorsteuerventil, bei dem es sich in vorteilhafter Weise um ein piezoelektrisches Vorsteuerventil handeln kann, ein 3/2-Wegeventil ist. Das Booster-Ventil kann vorteilhaft als 3/3-Wegeventil ausgestaltet sein.Finally, with regard to circuitry, it can preferably be provided that the pilot valve, which may advantageously be a piezoelectric pilot valve, is a 3/2-way valve. The booster valve can advantageously be designed as a 3/3-way valve.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigtHereinafter, an embodiment of a valve according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. It shows
Das Ventil
Das Ventil
Dabei umfasst das erste (in
Der Membranteller
Ferner ist das erste (durch den Membranteller
Das zweite Ventilelement
In der in
Der Membrantellerschaft
Der Ventilstößel
Wenn also – durch geeignete Erhöhung des in der Steuerdruckkammer
Ein zweiter Dichtsitz wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils
Erst wenn also – durch geeignete Betätigung des ersten Ventilelements
Das besonders gute Regelverhalten eines erfindungsgemäßen Ventils ergibt sich nicht zuletzt auch aufgrund der im Grundzustand gegebenen Abstände zwischen dem ersten, zweiten und dritten Ventilelement
Die Regelung eines erfindungsgemäßen Ventils
Aufgrund der rein mechanischen Kopplung der drei Ventilelemente
Das pneumatische Vorsteuerventil
Das Vorsteuerventil
Mittels eines elektrisch betätigbaren und hierdurch im Bereich seines freien Endes gemäß Doppelpfeil B verschwenkbaren Piezobiegewandlers
Ferner ist eine Steuereinheit
Die Druckabhängigkeit wird aufgrund der konkreten Ventilgeometrie verursacht, die zu einer mit dem Arbeitsdruck steigenden Kraft entgegen der Aktuierungsrichtung des Ventils führt. Somit ist bei hohem Arbeitsdruck ein entsprechend höherer Steuerdruck notwendig, um das Booster-Ventil zu betätigen, als dies bei einem niedrigeren Arbeitsdruck der Fall ist. Die Hysterese der Kennlinie wird durch die piezoelektrische und fluidische Hysterese des Vorsteuerventils verursacht.The pressure dependence is caused due to the concrete valve geometry, which leads to a force increasing with the working pressure against the Aktuierungsrichtung of the valve. Thus, at high working pressure, a correspondingly higher control pressure is necessary to actuate the booster valve than is the case at a lower working pressure. The hysteresis of the characteristic is caused by the piezoelectric and fluidic hysteresis of the pilot valve.
Die Kennlinien aus
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